I morgen har jeg midtsemesterprøve i Partikkelfysikk. Det er et artig fag, der det går en del på å kunne partikkellevetider, og kvarkinnhold. For å hjelpe meg selv å pugge litt av dette skriver jeg en artikkel om det. Folk som går på Dragvoll kan søke om å få denne artikkelen godkjent som en tellende del av populærvitenskap-kvoten.

For å begynne med det grunnleggende oppsummerer vi først elementærpartiklene. De fleste husker vel fra ungdomskolen av elektronet er en elementærpartikkel. I tillegg var det noe med kvarker, opp og ned var det vel, og nøytrionoet. Sannheten* er en smule mer komplisert. Vi begynner med leptonene:

Elektronet, muonet og tauet (idiotisk navn) har alle både masse og en ladning på -e.
Elektron-nøytrinoet, muon-nøytrinoet og tau-nøytrinoet har ikke landing, og kanskje ikke masse.
Alle disse er fermioner med spinn 1/2.

Av leptonene med masse er det bare elektronet som er stabilt. De to andre er dekadente (og feite, de veier mange, mange ganger mer enn elektronet), og henfaller raskt. Hvorfor er det slik? Det vet jeg ikke, men jeg vet at leptontall og ladning må være bevart, og siden elektronet er det letteste leptonet med ladning kan det ikke gå over til andre partikler av seg selv. Masse kan ikke dukke opp sånn uten videre. Den kan imidlertid forsvinne, i allefall tilsynelatende, ved å gå over til fotoner f.eks.

I tillegg har alle disse partiklene en antipartikkel. Det gir oss totalt 6 leptoner, og 6 antileptoner.

Så var det kvarkene. i tillegg til opp og ned, som alle hørte om på ungdomskolen, har vi sær, sjarm, topp og bunn. Grunnen til at alle kvarkene har så tøysete navn er at ignen ville bli mistenkt for å ta denne modellen for seriøst før den var alment akseptert. Derfor ga man partiklene fjasete navn som skulle antyde at de egentlig var mer hendige ting for å få saker og ting til å stemme enn ekte partikler.

I tillegg til at vi har seks kvark-typer kan hver type ha tre farger. Rød, blå eller grønn. Det er naturligvis ikke snakk om farge i vanlig forstand, men bare en hendig måte å skille dem fra hverandre. Dette gir oss totalt 18 kvarker og 18 anti-kvarker.

Men vi slutter ikke der, vi har enda flere elementærpartikler, nemlig de kraftbærende partiklene. Den første er fotonet, som burde være velkjent. Det som kanskje ikke er velkjent er at fotonet er den partikkelen som overfører elektriske og magnetiske krefter. I tillegg har vi gluonet, som overfører den sterke kraften (den som holder positive protoner sammen i atomkjernene), og W og Z, som har med den svake kraften å gjøre. W finnes i to utgaver, en positiv og en negativ, så da har vi 5 kraftbærende partikler. Noen savner kanskje gravitonet, men det er ikke en del av Sannheten*.

Dette gir oss totalt 53 elementærpartikler. Kvarkene opptrer imidlertid aldri alene, kun i kombo som baryoner eller mesoner. Hvorfor er det slik? Hadde jeg visst det hadde jeg kanskje fått nobelprisen i fjor, som gikk til noen fyrer som hadde gjort noe forskning på akkurat dette. Men en lettvint forklaring er at partikler som opptrer i naturen ikke har noen farge. Og da snakker jeg om farge av samme type som kvarkene har. Det er to måter å oppnå dette. Det kan være ved å kombinere tre kvarker med hver sin farge. Når alle farger er tilstede i like store mengder er resultatet definert som fargeløst. Den andre måten er å kombinere en kvark og en antikvark, med korresponderende farge. Hvis vi for eksempel kombinerer en blå særkvart, og en anti-blå anti-særkvark får vi et fint og fargeløst theta-meson. En partikkel som består av to kvarker heter et meson (pseudoskalar-meson hvis det har spinn 0, vektor-meson hvis det har spinn 1), og et baryon hvis det består av tre kvarker. Som vi husker fra ungdomskolen består nøytronet og protonet av tre kvarker, og er dermed baryoner.

Dette med farger er dog ikke en forklaring, det er kun en observasjon, på lik linje med bevaring av leptontall. Det finnes også andre morsomme bevaringslover, bevaring av særtall for eksempel.

Som jeg nevnte tidligere henfaller en del partikler. Henfalle er et norsk ord for decay. Den gjennomsnittlige levetiden er grei å kunne, i allefall i anledning midtsemesteren. Ellers er det bare å slå den opp. Men med 36 kvarker er det mulig å lage ekstremt mange forskjellige baryoner og mesoner, som forøvrig til sammen utgjør hadronene, og dermed er det ikke mulig å huske alle levetidene, og vi må ha et triks. Trikset er å vite hva som fører til henfallet. Theta-mesonet har en levetid på ca 10^-23 sekunder, som er ganske typisk for ting som henfaller ved den sterke kraften. Hvorfor gjør den det? Jeg aner ikke. Det nøytrale pi-mesonet har en levetid på ca 10^-17 sekunder. Det henfaller ved elektromagnetiske krefter. Grunnen til det kan kanskje være at det må henfalle til lettere partikler uten ladning som ikke kan være leptoner, på grunn av bevaring av leptontall og ladning, og dermed må det nesten bli omdannet til fotoner. Jeg er usikker på om dette er en typisk levetid for partikler som henfaller ved elektromagnetiske krefter. Den siste måten noe kan henfalle på er ved den svake kraften, og det ser man hvis det dukker opp et nøytrino. Et eksempel er det positive pi-mesonet, som har en levetid på ca 10^-8 sekunder. Jeg tror dette er sånn passe typisk, men jeg er litt usikker.

Det var det jeg hadde å si om dette sånn på stående fot. Nå tror jeg at jeg skal gå og legge meg, så jeg kommer meg opp i fornuftig tid, og rekker å lage kaffe på lesesalen før midtsemsteren. Det er viktig å komme inn med kaffekopp, for å psyke ut andre, og dermed gi meg selv en moral-boost. De som ønsker en mer fargerik (og mer konsistens, med mindre "jeg er usikker på dette") kan sjekke ut particleadventure.org. Finnes på norsk, egner seg bra for barn fra tre år og oppover.

-Tor Nordam

*Som definert av standardmodellen